마스터-프로(Master-pro) DTV 안테나 개발

1. 서론

10년 전부터 준비해온 우리나라 디지털TV 전환은 지난해 12월 31일 지상파TV 방송 시청자들의 큰 혼란 없이 완료되었다. 그간 디지털TV 전환에 따라 발생될 수 있는 시청자 보호대책과 주파수 채널의 이용 등 정부 및 방송계 간의 지속적인 논의로 직접수신 시청자에 대한 대책이 수립되었으며, DTV 전환 이후 후속조치인 송⋅중계소의 주파수 채널 변경업무가 추진되고 있다.

그간 지상파 디지털TV 안테나 및 극소출력중계기 등을 생산하는 스펙트럼통신기술에서는 2001년 관악산 디지털TV 실험방송사업의 전파측정 업무에 참여하면서 DTV 수신안테나의 필요성을 절감하였다. 이후 부설 전파기술연구소에서 2004년 LP49 실내안테나를 상용화하였으며, 이후 최근까지 10여 종류의 실내⋅외 안테나 및 선박용 안테나 등을 개발하여 국내외에 공급하고 있다.

[표 1. 지상파 TV 안테나 상용개발 내역]

개발기간	연구개발 제품	양산기간
2003.01~2004.08	LP49 실내용 수신안테나 개발 (디자인 등록)	2004.10~현재
2004.08~2005.05	LP410P, LP410S 실내⋅외 겸용안테나 (디자인 등록)	2005.05~현재
2005.06~2006.05	HD-mini 실내안테나 개발 (특허 등록)	2006.05~현재
2007.01~2008.05	Hemi-Beam 실내안테나 개발 (특허등록)	2008.05~현재
2008.08~2009.03	LP-28, CR-48 고이득 실외안테나 생산	2009.03~현재
2008.09~2009.07	Match-Wing, HD-free 실내안테나 개발	2009.07~현재
2009.01~2010.12	Omni 안테나(실외용), Omni-marine(선박용) (특허등록)	2011.07~현재
2011.06~2012.10	MP-6 평판 안테나 개발(특허 출원)	2013.05 (예정)

  

또한 2005년 개발된 LP410 계열의 실내(LP410S) 및 실외안테나(LP410P)는 2010년부터 방송사와 디지털TV 전환사업 추진기관(RAPA)에 집중 공급되었으며, 안테나 생산이후 지난해 말까지 국내에 약 50만개의 안테나가 공급되었다. 또한 지상파 TV 안테나 분야로는 드물게 2006년부터 미국, 일본 및 유럽 등 해외로 꾸준하게 수출되고 있는 제품들이다.

지난해 디지털TV 전환과 더불어 국내 안테나 수요는 하향 안정화 추세로 진입하고 있으며, 해외 지상파 DTV 안테나 제조업체의 연구개발 투자도 거의 정체단계에 있는 것으로 파악되고 있다. 그러나 스펙트럼통신기술은 그간 다져온 북미 수출시장을 기반으로 해외에서 지상파 수신안테나에 대한 인지도를 높일 수 있는 기회로 보고 연구개발 투자를 지속하고 있다. 또한 해외전시회 참가에 의한 신규시장 개척노력 등 세계 상위 그룹의 지상파TV 제조업체로 발돋움하기 위해 더욱 노력하고 있다.

따라서 이번 개발된 전파특성 가변형 평판안테나(모델명 : 마스터-프로/Master-pro MP-x)는 선진국이나 개발도상국 등 세계 어느 지역의 지상파 디지털TV 수신환경이나 방송방식에도 이용될 수 있어, 향후 스펙트럼 안테나의 수출주력 제품으로 기대하고 있다.

 

2. 안테나 개발과 특징

 

가. 필요성과 개발개념

그간 지상파 디지털TV 방송수신용 안테나의 연구개발 핵심기술은 안테나 특성과 성능개선은 물론 다양한 수신환경(주거 및 지형적 전파환경)에 쉽게 적용할 수 있고, 직접수신 시청자 및 안테나 이용자의 불편사항을 최소화하는 것에 중점을 두고 제품을 개발하게 되었다.

디지털TV 방송은 아날로그와 달리 수신 여부가 명확하며 도심의 고층빌딩 및 밀집도 등의 문제로 전파전파(propagation) 손실부문의 정량화가 어렵고, 다중반사파(Multipath)에 의한 안테나 위치의 미세한 변화에도 신호세력이 크게 변화하는 문제가 발생된다.

또한, DTV 방송 송출에 있어 우리나라와 같은 수평편파(Horizontal Polarization)뿐만 아니라 수직편파(Vertical Polarization)도 일부 국가에서 채택하고 있어 H, V 편파를 공용할 수 있는 안테나가 필요하다. 더불어 최근 디지털TV 방식전환을 준비 중인 개발도상국에서는 이득이 높은 안테나를 요구하고 있다. 그러나 기존 높은 이득을 갖는 안테나(10dBi 이상)는 알루미늄이나 스테인리스로 제작되어 부피가 크고 무거우며, 운송에 파손될 우려가 높아 현재의 물류시스템으로는 적합하지 않다.

마지막으로 우리나라는 물론 대다수 해외 국가들은 지상파 디지털TV 방송사들 간의 송⋅중계소 위치가 상이하여 2~3개의 안테나를 송신소 방향별로 설치해야 하는 불편사항이 빈번하게 발생되고 있다. 따라서 시청자들이 편리하게 지상파 DTV방송을 수신할 수 있는 안테나 및 설치방법의 구조개선이 요구된다.

따라서 이번 신규 개발된 안테나는 시청자들의 불편사항이나 기술 및 구조적 문제를 해결하고자 노력한 결과물이며, 안테나 사용자(시청자)의 수신환경을 고려하여 안테나 이득과 편파 및 방사패턴을 임의로 조합하여 구성할 수 있도록 고안된 것이 특징이다.

 

 

나. 개발된 안테나 성능과 특성

1) 안테나 이득 (Antenna Gain)

디지털TV 방송의 송신기에 사용되는 안테나는 송신기에서 공급된 고주파 신호를 스플리터(Splitter or Divider)를 통해 다수의 안테나에 균등한 전력으로 분배되어 각 안테나에 공급된다. 이와 같은 방법으로 송신안테나가 아닌 수신안테나에 사용된다면, 각각의 수신안테나에서 수신된 전력은 컴바이너에 의해 두 안테나의 합의 출력으로 나타나게 된다.

예를 들면 6dBi 이득을 갖는 안테나 2개를 컴바이너로 결합하면 이를 통해 합산된 등가적 안테나 이득은 9dBi 정도로 산출된다. 여기서 두 개의 안테나에서 수신된 신호의 반사손실을 최소화할 수 있는 방법이 중요하며, 일반 시청자들이 손쉽게 설치 가능하고 경제적으로 구현할 수 있도록 간편하고 저렴한 컴바이너/스플리터 제품이 안테나와 함께 공급될 것이다.

▲ [표 2. 안테나 구성과 이득]

여기서 중요한 것은 한 개의 MP-6 안테나만으로도 6dBi 이득을 갖고 있어 대다수 가정에서는 컴바이너 필요 없이 충분히 사용될 수 있으나, 수신신호세력이 미약한 곳은 2개 또는 4개의 안테나를 콤바인해서 이득을 높여 사용하면 된다는 장점이 있다는 것이다.

상기 [표 2] MP-6(6dBi, 5.5~7.0) 및 MP-9(9dBi, 7.5~9.5 dBi)의 이득은 국립전파연구원에 있는 “EMI 측정센터”에서 측정[그림 1, 2 참조]된 이득이다. 또한 MP-12 및 MP-15의 안테나 이득은 당사 부설연구소의 시뮬레이션 예측결과에 따라 산출된 예측값이다. MP-12~15 제품은 안테나 크기가 커서 시청자들이 설치하기에는 다소 번거로울 수 있다.

그러나 MP-6는 기존의 LP-410P, MP-9는 기존의 LP-28 실외안테나와 유사한 안테나 특성을 갖고 있으므로 시청자들이 실용적이며 간편하게 이용할 수 있다. 또한 기존 실외 또는 공청용 안테나보다 설치방법이 쉽고 주택이나 아파트 등 건물 외관을 미려한 구조물로 돋보이게 하는 장점이 있다.

 

▲ [그림 1. MP-6 기준 방사패턴]

만일, TV 시청자가 수신지역에 필요한 만큼의 안테나 이득을 편리하게 조합하여 설치할 수 있다면, 송신소에서 멀리 떨어진 농어촌 또는 도서지역의 난시청 해소에 편리할 수 있지 않을까? 지금까지의 방법으로는 안테나를 설치해서 수신된 신호레벨이 낮으면 이득이 높은 안테나를 다시 구입해야 한다. 이때 기존에 설치되었던 안테나는 반품하거나 폐기하는 방법이었으나, 이번에 개발된 안테나는 동일 규격의 제품을 이득에 맞게 조합하여 설치하면 신호세력이 증감되는 구조를 갖는 것이 특징이다. MP-6 기준 안테나 1면을 설치할 경우와 2면을 설치할 경우의 안테나 수신 전력은 약 2배(3dBi)로 증가됨을 공인측정기관이나 현장수신시험을 통해 확인할 수 있었다.(2012.7~10월 측정결과이며, 상용화 완료된 양산제품의 안테나 특성은 2013년 5~6월 중 재측정 예정)

▲ [그림 2. MP-6 vs MP-9 안테나 이득비교]

 

2) 멀티빔(multi-beam) 및 무지향(omni-beam) 방사패턴

이번에 개발된 안테나의 또 다른 장점은 안테나 방사패턴을 임의로 조정 가능한 편리한 구조를 갖고 있다는 것이다. 우리나라뿐만 아니라 외국의 경우에도 방송사별 송신소의 위치가 상이한 곳이 많아 디지털TV 수신안테나를 설치하는데 시청자들의 불편사항이 있었다. 이러한 경우 본 개발 안테나를 간편히 적용할 수 있다. 즉, 송신소에서 시청자 가구들이 밀집된 지역으로 안테나의 지향방향을 정하듯이, 수신안테나에서도 송신소가 위치한 방향으로 안테나를 1면 또는 2면 등 특정방향으로 각각 지향하여 수신할 수 있다.

더불어 이번에 개발된 안테나는 무지향성으로도 구현할 수 있는데, 그것은 디지털TV 송신용 안테나의 무지향성 송출과 유사한 방법을 통해 고성능의 무지향성 안테나로 구현됨을 의미한다. 무지향 안테나 구현을 위해 최소한 4개 또는 6, 8면의 안테나를 이용하여 무지향 성능을 갖는 수신안테나로 구성할 수 있다.

MP-x 안테나는 지상파 디지털TV 수신전용으로만 고려해서 개발되어 송신용 안테나의 규격으로는 다소 미흡하지만, 필요에 따라 저전력(low-power) 디지털TV 중계기의 송신용 또는 슈퍼-와이파이(super-WIFI)용으로도 적용할 수 있도록 준비하고 있다. 이를 위해 안테나 임피던스는 50Ω, 전력분배용 스플리터(splitter)도 준비되어 있다.(하반기 샘플공급 예정)

▲ [표 3. 안테나 구성과 방사패턴]

 

3) 수평 및 수직편파 적용

MP-x 안테나의 또 다른 장점은 수평(Horizontal) 또는 수직(Vertical) 편파(Polarization)로 사용할 수 있으며, 안테나 설치 방향만 90도 회전하여 조립하면 편파가 변경되는 편리하고 간단한 설치구조를 가진다. 이 경우 해외 다양한 지상파TV 안테나 방사규격에 적응할 수 있으며, 슈퍼 와이파이 규격으로 예상되는 수직편파 송수신 안테나에도 적용될 수 있다.

 

▲ [표 4. 안테나의 편파구성]

 

 

다. 견고한 외부구조

지상파 디지털TV 방송은 시청자 주거환경인 단독 및 다가구 주택의 옥상이나 벽면, 아파트 베란다 난간은 물론 공청용으로 간편하게 설치할 수 있어야 한다. 더불어 열악한 기상환경은 물론 외부의 오염에도 충분히 견딜 수 있도록 방수 및 방충기능이 완비되어야 하며, 강풍에 의한 파손이나 자외선 및 습기에 의해 부식되지 않고 장기간 운용될 수 있는 안테나 구조여야 한다.

▲ [그림 3. MP-9 전면 및 후면]

▲ [그림 4. 브라켓 구조와 설치]

▲ [그림 5. 케이블 인입구 방수대책, 스플리터/컴바이너

[그림 3]은 MP-9(MP-6 안테나 2면 콤바인) 안테나의 전면과 후면의 표준 설치사진을 보이고 있다. 2면의 안테나에서 각각 수신된 신호세력을 합하기 위해 스플리터/콤바인(splitter/combine)으로 결합(sum)한다. MP 계열의 안테나를 좀 더 편리하게 설치하고 장기간 견고하게 운용하기 위해 모든 부품은 스펙트럼에서 독자적으로 개발하였다.

 

▲ [그림 6. MP-9 안테나 크기]

이번에 개발된 안테나의 기능과 구조 및 특성은 국내⋅외 지상파 디지털TV 방송에서의 시청자 수신환경과 해외의 다양한 디지털TV 방송환경을 염두에 두고 설계되었다. 특히 수신안테나 분야에서 사용자가 임의로 수신안테나 이득을 조정하거나 안테나 방사특성을 조정할 수 있는 제품은 본 개발제품이 처음일 것으로 예상된다. 안테나 이용자 대다수가 일반 시청자임을 고려하여 안테나 크기와 무게의 최소화, 취급이 편리하고 간단히 설치될 수 있는 구조로 개발하는데 초점을 맞추었다. (MP-6 안테나 1면의 경우 “월간 방송과기술”과 비슷한 크기임)

 

3. 상용화 기대효과

2001년 이후 상용 개발된 디지털TV 수신 관련 제품은 안테나 10여 종, 신호증폭용 부스터 2종, 고주파 신호의 결합과 분배 기능을 갖는 스플리터 2종, 극소출력중계기 및 디지털컨버터 등이 있다. 이들 제품은 우리나라 DTV 전환사업에 채택되어 관련 기관에 25만 개 이상 납품하여 성능을 인정받았으며, 지상파 직접수신 시청자들에게 꼭 필요한 제품들이었다.

이번에 개발된 MP-x 계열의 제품은 직접수신지역의 전파환경에 따라 안테나 이득을 조절할 수 있고, 방사패턴을 마음대로 변화시킬 수 있어 국내⋅외 어떠한 수신환경에서도 적용이 가능한 스마트한 제품이다. 국내⋅외적으로 TV방송 수신용 안테나로서 전파방사특성 및 전기적 특성을 사용자가 선택적으로 조정하여 설치할 수 있도록 개발된 제품은 처음일 것이라 여겨진다. 또한 본 제품은 지상파 디지털TV 방송은 물론 지상파 디지털 TV의 극소출력간이중계기와 방송주파수 대역을 이용하는 슈퍼-와이파이 송수신용 안테나로도 사용할 수 있어 응용분야가 다양한 장점이 있다.

▲ [표 5. 안테나 규격]

본 개발제품은 올해 5월부터 샘플공급을 시작할 계획이며, 양산제품은 7~8월쯤 공급될 것으로 계획하고 있다. 또한, 스펙트럼에서는 올해 6월 완공 목표로 강릉과학산업단지(스펙트럼통신기술 전자사업본부)에 공장 및 연구소 신축공사를 진행하고 있다. 따라서 금년 하반기부터 대구공장에서 생산되는 안테나를 제외한 대다수 안테나와 부가제품은 강릉과학산업단지 공장에서 생산할 계획이며, 향후 2017년까지 공장시설과 연구시설을 지속해서 확충해 나갈 계획이다.

그간 스펙트럼 안테나와 관련 수신제품을 애용해 준 국내⋅외 고객님들과 본 신제품을 소개할 수 있도록 귀한 지면을 할애해 준 “방송과기술” 편집부에 진심으로 감사한 마음을 전합니다.

 

문의 : 02-783-6425～6, radio@spectrum.co.kr, www.spectrum.co.kr